Проектирование подводных робототехнических систем
Покупка
Новинка
Тематика:
Водный транспорт
Автор:
Вельтищев Вадим Викторович
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 40
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7038-5297-2
Артикул: 837827.01.99
Изложены требования к выполнению курсового проекта по дисциплине «Проектирование подводных робототехнических систем». Рассмотрены основные этапы выполнения курсового проекта. Особое внимание уделено структуре и правилам оформления расчетно-пояснительной записки, которая является наиболее распространенным видом текстовой технической документации. Приведены варианты заданий на курсовое проектирование и примеры оформления некоторых разделов расчетно-пояснительной записки. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника», магистерская программа «Подводные робототехнические комплексы и аппараты».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.В. Вельтищев Проектирование подводных робототехнических систем Учебно-методическое пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
ISBN 978-5-7038-5297-2 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 УДК 629.584 ББК 39.42-02 В28 Издание доступно в электронном виде по адресу: https://bmstu.press/catalog/item/6362/ Факультет «Специальное машиностроение» Кафедра «Подводные роботы и аппараты» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия Вельтищев, В. В. Проектирование подводных робототехнических систем : учебно-методическое пособие / В. В. Вельтищев. — Москва : Изда тельство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 37, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5297-2 Изложены требования к выполнению курсового проекта по дисциплине «Проектирование подводных робототехнических систем». Рассмотрены основные этапы выполнения курсового проекта. Особое внимание уделено структуре и правилам оформления расчетно-пояснительной записки, которая является наиболее распространенным видом текстовой технической документации. Приведены варианты заданий на курсовое проектирование и примеры оформления некоторых разделов расчетно-пояснительной записки. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника», магистерская программа «Подводные робототехнические комплексы и аппараты». УДК 629.584 ББК 39.42-02 В28 Учебное издание Вельтищев Вадим Викторович Проектирование подводных робототехнических систем Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана. В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева. Подписано в печать 17.09.2019. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 50 экз. Изд. № 746-2019. Заказ Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. press@bmstu.ru www.baumanpress.ru Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com
Предисловие Выполнение курсового проекта является важнейшим этапом освоения дисциплины «Проектирование подводных робототехнических систем (ПРТС)». В ходе курсового проектирования ПРТС студент должен: • закрепить знания о стадиях разработки нового изделия и принятых критериях оценки совершенства конструкции; • развить умение самостоятельно определять общую концепцию построения ПРТС, ее функциональную, логическую и техническую структуру; • приобрести навыки практического применения ключевых положений, освоенных в курсе «Проектирование подводных робототехнических систем», а также ранее изученных дисциплин: «Информационные системы в мехатронике и робототехнике», «Надежность подводных робототехнических систем», «Проектирование микропроцессорных систем управления ПРТС», «Специальные электронные устройства роботов», «Системы ориентации и навигации ПРТС», «Системы технического зрения»; • сформировать навыки расчета и моделирования ПРТС, разработки основных алгоритмов функционирования программного обеспечения; • закрепить навыки разработки ПРТС в современных пакетах САПР и проектирования элементов отображения их технического состояния; • закрепить знания о нормативных требованиях к видам и комплектности конструкторской и программной документации для конкретной стадии разработки ПРТС и навыки оформления текстовой технической документации в соответствии с действующими нормативными требованиями. Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника», магистерская программа «Подводные робототехнические комплексы и аппараты».
1. ОБЪЕКТЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Подводная робототехническая система (ПРТС), как и любая техническая система, представляет собой совокупность взаимосвязанных технических объектов, объединенных общим алгоритмом функционирования. Наиболее распространенными и важными системами подводных робототехнических комплексов являются системы управления движением и исполнительные механизмы различного назначения. В большинстве случаев ПРТС относится к классу систем автоматического управления и содержит в своем составе следующие типовые функциональные компоненты (рис. 1.1): • систему управления; • исполнительные устройства, например приводы движителей; • объект управления, в качестве которого может выступать непосредственно необитаемый подводный аппарат или его отдельный механизм, например привод подвижности подводного манипулятора; • датчики управляемых координат объекта управления. Большое значение при разработке ПРТС имеет ее предполагаемое конструктивное исполнение. Любое сложное изделие по конструктивно-функциональным характеристикам является ком Рис. 1.1. Типовая функциональная схема ПРТС
плексом или сборочной единицей. В ГОСТ 2.101–2016 приведены определения таких видов изделий: комплекс — два и более специфицированных изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций; сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями. Таким образом, сборочная единица отправляется потребителю в виде законченного, готового к эксплуатации изделия. Составные части комплекса невозможно или нецелесообразно собирать на заводе в единое изделие. Поэтому монтаж комплекса осуществляется потребителем. Поскольку в состав любого подводного робототехнического изделия входит не только необитаемый подводный аппарат, но и его пульт управления, а также другие вспомогательные системы и устройства, то очевидно, что данное изделие представляет собой комплекс. В некоторых случаях близкие по функциональному назначению изделия изготовляют как в виде комплекса, так и виде сборочной единицы. Например, стандартный персональный компьютер является комплексом, а ноутбук — сборочной единицей. Подводная робототехническая система конструктивно выполнена в виде комплекса. Типичным примером ПРТС является система управления движением необитаемого подводного аппарата. В состав системы входят измерители управляемых параметров движения, устройства, генерирующие задающие воздействия, и программно-аппаратная часть системы, в которой реализуются алгоритмы управления. Возможно также включение в состав системы управления и комплекса исполнительных устройств, с помощью которых формируются силовые воздействия на объект управления (подводный аппарат). Очевидно, что компоненты системы управления движением конструктивно размещены в различных составных частях робототехнического комплекса. Измерители параметров движения, формирующие информационную часть системы, и исполнительные устройства должны быть установлены непосредственно на подводном аппарате, а управляющая часть может быть размещена как на подводном аппарате, так и в пультовой части подводного робототехнического комплекса. Таким образом, произвести на заводе-изготовителе такую ПРТС в виде сборочной единицы невозможно.
В состав современной ПРТС входит программная часть, которая может быть выполнена в виде программного компонента или программного комплекса. В соответствии с ГОСТ 19.101—77 под программным компонентом понимается программа, рассматриваемая как единое целое, выполняющая законченную функцию и применяемая самостоятельно или в составе программного комплекса. Программный комплекс — программа, состоящая из двух или более компонентов (или комплексов), выполняющих взаимосвязанные функции. Таким образом, обобщенная структура ПРТС может быть различного вида. На рис. 1.2 представлен один из вариантов конструктивно-функциональной структуры системы управления движением подводного аппарата. В состав системы управления входят измерители параметров движения необитаемого подводного аппарата, конструктивно реализованные в виде трех сборочных единиц: блока измерителей угловой ориентации, измерителя глубины погружения и измерителя текущего отстояния Рис. 1.2. Конструктивно-функциональная структура системы управления движением подводного аппарата
подводного аппарата от донного грунта. Алгоритмы управления и алгоритмы обработки информации с измерителей параметров движения реализуются в едином бортовом вычислительном модуле. Выходные сигналы системы управления являются управляющими воздействиями для средств движения, которые в состав рассматриваемого варианта ПРТС не входят. Следует отметить, что без правильного учета всех характеристик подводного аппарата и его средств движения разработать систему управления движением невозможно. В состав системы управления движением необитаемого подводного аппарата входят только представленные на рис. 1.2 компоненты. При такой постановке проектной задачи характеристики подводного аппарата и его средств движения должны быть определены в задании на курсовой проект. На рис. 1.3 представлена более сложная структура ПРТС — движительно-рулевой комплекс подводного аппарата. Основными компонентами движительного комплекса являются несколько (1, 2, …, N ) однотипных двигательно-движительных устройств (на рисунке условно показано только одно из них). Каждое двигательно-движительное устройство представляет собой сборочную единицу, в состав которой входят электродвигатель, вал которого связан с движителем через редуктор, измеритель угловой скорости вращения вала электродвигателя и дискретный измеритель углового положения ротора. Сигналы управления на обмотку электродвигателя формируются в контроллере, который является сборочной единицей. Одновременно в контролере электропривода реализована обратная связь по угловой скорости вращения вала электродвигателя. Конструктивно контроллеры всех электродвигателей объединены в одну плату. Общая стратегия управления работой движительно-рулевого комплекса и диагностика его технического состояния реализуются в специализированном бортовом вычислительном модуле. Для такого варианта ПРТС в задание на курсовой проект могут входить следующие задачи: • выполнение энергетического расчета и выбор компонентов двигательно-движительного устройства; • синтез системы управления замкнутого по угловой скорости электропривода двигательно-движительного устройства; • разработка алгоритмов управления компонентами движительно-рулевого комплекса. Следует отметить, что конструктивное исполнение ПРТС определяется конструкторской и программной документацией для
Рис. 1.3. Конструктивно-функциональная структура движительно-рулевого комплекса подводного аппарата
различных стадий ее разработки (ГОСТ 19.101—77 и 2.102—2013). Разработка любого нового изделия осуществляется поэтапно. Содержание каждого этапа (стадии) разработки определяется ГОСТ 2.103—2013. Степень проработки ПРТС в курсовом проекте должна соответствовать стадии «Эскизный проект» или «Технический проект». В соответствии с требованиями ГОСТ 2.102—2013 для изделий, относящихся к комплексам, чертежи не разрабатываются, основными документами для ранних стадий разработки являются пояснительная записка и схемы. Для программных компонентов на этих стадиях разработки следует подготовить только пояснительную записку (ГОСТ 19.101—77). Таким образом, главным отчетным документом курсового проекта является пояснительная (расчетно-пояснительная) записка. Предметом курсового проектирования могут быть различные ПРТС. Ниже приведены типичные темы курсовых проектов: «Электромеханическое наклонно-поворотное устройство для подводного аппарата»; «Система динамического позиционирования телеуправляемого подводного аппарата»; «Система управления движением автономного подводного аппарата»; «Гидравлический манипулятор телеуправляемого подводного аппарата рабочего класса»; «Разработка комбинированного движительно-рулевого комплекса донно-плавающего телеуправляемого подводного аппарата»; «Разработка бортовой системы технического зрения подвод ного аппарата с использованием оптического дальномера»; «Проектирование системы позиционирования малогабаритного телеуправляемого необитаемого подводного аппарата»; «Разработка алгоритмов управления группировкой автономных подводных аппаратов»; «Разработка системы управления движением телеуправляемого необитаемого подводного аппарата с гибридным движительным комплексом»; «Разработка системы технического зрения для осмотрового телеуправляемого необитаемого подводного аппарата». Задание на курсовой проект должно содержать все необходимые исходные данные для разработки и регламентировать его общее содержание. В рамках курсового проекта может возникнуть необходимость проведения дополнительных исследований в це
лях уточнения отдельных характеристик создаваемого изделия. Во многих случаях тематика курсовых проектов определяется реальными хоздоговорными научно-исследовательскими работами, проводимыми в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Пример оформления технического задания на выполнение курсового проекта приведен в приложении 1. 2. ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА Содержание курсового проекта и общая последовательность выполнения его этапов практически не зависят от конкретной тематики проекта. Типовая методика выполнения эскизного и технического проектов предусматривает последовательное решение следующих задач, соответствующих этапам курсового проектирования (ГОСТ 2.119—2013 и 2.120—2013): • анализ поставленной в проекте задачи, проведение информационного и патентного поисков для выявления существующих аналогов разрабатываемой системы; • анализ существующих принципов построения систем и оценка достаточности известных методов и методик проектирования для решения поставленной задачи; • обоснование общей концепции построения системы, формирование функциональной схемы системы и ее вариантов; • предварительная проработка возможных конструктивных, схемных и алгоритмических решений, установление особенностей, преимуществ и недостатков каждого варианта; проведение сопоставительного анализа всех рассмотренных вариантов и обос нование выбора одного из них для детальной разработки; • проведение основных расчетов проектируемой системы для определения ее конструктивных параметров и выбора комплектующих изделий; • синтез алгоритмов управления; • заключительное моделирование всей проектируемой системы для уточнения ее важнейших характеристик; • оценка общего уровня и конкурентоспособности выполненной разработки, проверка патентной чистоты используемых технических решений. Рассмотрим каждый этап выполнения курсового проекта более подробно.